Teoría Básica de RMN. La RMN es otro tipo de Espectroscopía de Absorción

Transcripción

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2 Teoría Básica de RMN La RMN es otro tipo de Espectroscopía de Absorción Base de la RMN: Absorción de energía por un núcleo atómico que provoca transiciones entre niveles de energía nucleares (o entre distintos estados del espín nuclear) Los niveles energéticos se deben a: Las distintas orientaciones de los espines nucleares dentro de uncampomagnéticoh magnético o La diferencia de energía entre los distintos niveles es de tal magnitud que: La frecuencia de absorción cae en el campo de las radiofrecuencias 6 La E asociada a las transiciones es del orden de 10-6 Kcal/mol

3 Espectroscopía de Resonancia Magnética nuclear ( RMN ) Muchos núcleos atómicos poseen un movimiento giratorio en torno a un eje y se dice, así, que poseen spin nuclear. Uno de tales núcleos es el hidrógeno, escrito como 1 H ( el isótopo de masa 1 del hidrógeno) para diferenciarlo de sus otros isótopos [deuterio ( 2 H),y tritio ( 3 H)]. El núcleo de la forma más simple del hidrógeno es el protón. Puesto que el protón está cargado positivamente, su giro crea un campo magnético (como ocurre con cualquier partícula cargada). El resultado neto es que podemos considerar al protón como una minúscula barra magnética flotando libremente en solución ó en el espacio. Cuando el protón es expuesto a un campo magnético externo de fuerza H 0, puede adoptar dos orientaciones: puede alinearse conh 0, una elección energeticamente favorecida, ó ( a diferencia de una barra magnética normal) en contra de H 0, una orientación más alta en energía. Las dos posibilidades se denominan estados de α spin and β spin,respectivamente. t Esos dos estados, diferentes energéticamente, proporcionan la condición necesaria para espectroscopía. Irradiación de la muestra a justo la frecuencia adecuada ( frecuencia de radioondas) para anular la diferencia de energía entre los estados α and β produce resonancia con H 0, en la que la absorción de energía promueve un protón desde el estado de α spin al estado de spin β, como se ilustra en la siguiente Fig.

4 (A) Cuando los protones son expuestos a un campo magnético externo, se generan dos estados de espín (α-spin y β-spin) que difieren en energía por ΔE = hν. (B) Irradiación con energía de frecuencia apropiada ν (radiofrecuencia), produce absorción y transición del spin nuclear del protón desde el estado α al estado β (resonancia). (C) Diagrama de energía, que muestra a un protón (indicado por una única flecha) ganando la energía ΔE = hν y sufrieno la transición desde el estado α al estado β. Recuerde que los dos núcleos mostrados están rodeados por el conjunto de los núcleos en la que hay sólo un ligero exceso de estados α sobre estados β. El proceso de absorción solo hace que esta proporción esté más próxima a1:1.

5 Después de éste proceso de excitación, los núcleos se relajan y retornan a sus estados originales por una variedad de rutas energéticas (que no discutiremos aquí). Así, en la resonancia, se produce una secuencia contínua de exitaciónes y relajaciones. La cantidad de energía para promocionar el estado de spin α al estado de spin β es muy pequeña; así a una frecuencia de radiondas de 300 MHz, ΔE β α =h.ν es del orden de 3 x 10 5 kcal mol 1 ( kj mol 1 ). El equilibrio entre los dos estados es, así, rápido y en general, muy poco mas de la mitad de toda la población de núcleos protónicos en el campo magnético adoptarán el estado de spin α, permaneciendo el resto en el estado de spin β. Cuando se alcanza la resonancia, esta diferencia disminuye, al promocionar los núcleos con espines α aespinesβ, pero la proporcionalidad no cambia demasiado. Así, la sensibilidad de la técnica no es muy grande (a Gauss, sólo 6 de entre 2 millones de núcleos absorberán b radiación. Sin embargo, la diferencia de enegía, ΔE, entre los estados de spin α y β depende directamente de la intensidad del campo magnético externo, H 0. Cuanto más fuerte es el campo magnético, mayor es la diferencia de energía entre los estados de α spin y β spin : La frecuencia de absorción, ν, es proporcional a H 0, como se muestra en la Fig. de la siguiente trasparencia. Así, la frecuencia de resonancia para los núcleos de hidrógeno es de 90 MHz ( megahertz, millones de hertz) a H 0 = 21,150 gauss, abreviado G), 180 MHz a H 0 =42,300 G; 300 MHz at H 0 = 70,500 G, etc. Por tanto, a medida que aumenta la fuerza del campo magnético externo, mejora considerablemente la sensibilidad de la técnica.

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7 Para aquellos que dan señal, ésta aparecerá a una frecuencia determinada a un campo magnético H 0.

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9 Espectro de RMN, hipotético, de CH 2 ClF at 70,500 G. Ya que cada núcleo RMNactivo resuena a una frecuencia característica en éste campo magnético Ho paticular, se observarían seis líneas. Se muestran aquí a alturas diferentes para simplicidad, pero la abundancia natural de los isótopos 2 H and 13 C es mucho menor que la de los otros. Este espectro, tal como mostrado, no puede, en realidad, d ser registrado en un sólo experimento, ya que la mayoría de los instrumentos de RMN deben ser sintonizados sólo para un núcleo, p. ej. 1 H, ó 13 C cada vez.

10 Espectroscopía de RMN de alta resolución Hasta ahora hemos considerado las resonancias de núcleos aislados. Que ocurre cuando los núcleos están formando parte de una molécula?. Consideremos, p. ej., los espectros 1 HRMNy 13 C RMN del clorometil metil éter, ClCH 2 OCH 3. Un barrido a 70,500 G entre 0 y 300 MHz daría un pico para cada uno de los elementos (como vimos arriba). Al igual que un microscopio nos permite magnificar detalles del mundo macroscópico, podemos centrarnos en cada una de esas señales y expandirlas para revelar mucho más. Así, usando la técnica denominada Espectroscopía de RMN de alta resolución, podemos estudiar la resonancia del hidrógeno entre 300 y 3000 MHz. Encontraremos que lo que parecía ser solamente un pico en esa región contiene realmente dos picos, que no fueron resueltos al principio (Figura en pg. siguiente). De manera similar, el espectro de 13 C RMN de alta resolución medido en la vecindad a 75.3 MHz muestra también dos picos. Esas absorciones revelan la presencia de dos tipos de hidrógeno y de carbono, respectivamente, en la molécula. El hecho de que la espectroscopía de RMN de alta resolución sea capaz de distinguir i entre núcleos, tantot de hidrógeno como de carbono, cuando están embebidos en diferentes entornos estructurales dentro de una molécula, es lo que hace que constituya una poderosísima herramienta para la elucidacion de una estructura. ra El químico orgánico usa la espectroscopía de RMN más a menudo que cualquier otra técnica espectroscópica.

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12 300-MHz 1 H NMR spectrum of chloro(methoxy)methane. Because the frequency range of interest starts at 300 MHz, we set this frequency to be 0 Hz at the right-hand hand side of the recording paper, for simplicity.

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16 Usando el Espectro de RMN Para Analizar la Estructura Molecular: El Desplazamiento Químico de Protón. Porqué los dos grupos diferentes de hidrógenos en el clorometil metil éter, ClCH 2 OCH 3 dan lugar a dos picos distintos en RMN?. Como afecta la estructura molecular a la posición de una señal en el espectro de 1 HRMN?. La posición de un pico de absorción para un Hidrógen en el espectro de RMN, denominada también desplazamiento químico, depende de la densidad electrónica alrededor de dicho Hidrogeno. Esta densidad, a su vez, está determinada por el entorno estructural del núcleo de hidrógeno. Así, los desplazamientos químicos de los hidrógenos en el espectro de RMN son una pista importante para determinar su estructura molecular. Al mismo tiempo, la estructura de una molécula determina su comportamiento en un experimento de RMN. En una molécula, los átomos de hidrógeno están rodeados por orbitales cuya densidad electrónica varía dependiendo de: la polaridad del enlace, el tipo de hibridación de los orbitales, de la existencia ó no de efectos de deslocalización electrónica y de la presencia ó no de grupos atrayentes ó donantes de electrones.

17 Cuando un núcleo rodeado por electrones es expuesto a un campo magnético de fuerza H 0, esos electrones se mueven de tal modo que generan un pequeño campo magnético local, h local, opuesto a H 0 (Ley de Lenz). Como consecuencia, la fuerza total de campo magnético en la proximidad del núcleo de hidrógeno, se reduce, yse dice que el núcleo esta apantallado de H 0 por su nube electrónica (Fig. abajo). El grado de apantallamiento depende de la cantidad de densidad electrónica que rodea al núcleo. Adición de electrones incrementa el apantallamiento; eliminación de electrones causa desapantallamiento.

18 Efecto de apantallamiento sobre un hidrógeno enlazado covalentemente. El núcleo desnudo, H +, que no tiene electrones de enlace apantallantes, está menos apantallado; en otras palabras, su señal aparece a la izquierda del espectro, o a bajo campo. Un hidrógeno unido a, por ejemplo, un grupo tercbutilo está apantallado por los electrones de enlace que le rodean; en éste caso, para compensar el apantallamiento la fuerza del campo externo H 0 se incrementa para lograr resonancia ( recuerde que H 0 es proporcional a ν) y así su señal aparece más a la derecha en el espectro o a campo más alto.

19 Espectro de 1 HRMN(300-MHz) de 2,2-dimetil-1-propanol (conteniendo un poco de tetrametilsilano como referencia interna) en cloroformo deuterado, CDCl 3. Se observan tres picos para los tres conjuntos de hidrógenos diferentes en la molécula. Los Hidrógenos equivalentes quimicamente muestran picos en la misma posición. (La escala al fondo indica el desplazamiento químico en δ) Descripción del espectro: 1 H NMR(300 MHz, CDCl 3 ): 0.89(s),1.80(s),3,26(s) ppm

20 Si en la proximidad del núcleo existe mas de un átomo electronegativo sus efectos desapantallantes son acumulativos L i fl i d t ll t d l át La influencia desapantallante de los átomos electronegativos disminuye rapidamente con la distancia

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22 Integración de las señales de Absorción Integraciòn, revela el número relativo de hidrógenos responsables para un pico en RMN

23 La Fig. de la pg. siguiente muestra que el espectro de RMN a 90 MHz del 1,1-dicloro- 2,2-dietoxietano, tiene cuatro absorciones, características de cuatro conjuntos de hidrógenos equivalentes entre sí (Ha Hd). En lugar de señales agudas únicas (Singuletes), esas señales adoptan patrones más complejos denominados multipletes: l t 2 absorciones de dos picos, ó dobletes (en azul y verde); una de cuatro picos ó cuarteto (en negro); y una de tres picos ó triplete (en rojo). La apariencia detallada de esos multipletes depende del número y clase de átomos de hidrógeno directamente adyacentes al núcleo de hidrógeno que da lugar a la absorción analizada. Analizados conjuntamente con los desplazamientos químicos y la integral, los acoplamientos spin-spin, nos ayudan, con frecuencia, a establecer la estructura completa de un compuesto desconocido. Acoplamientos Spin -Spin Los espectros de de RMN de alta resolución presentados hasta ahora muestran un patrón simple de picos agudos aislados, también llamados singuletes. Los compuestos que dan lugar a esos espectros tienen todos un hecho en común: en cada compuesto, hidrógenos no equivalentes están separados por al menos un átomo de carbono ó de oxigeno. Esos ejemplos fueron elegidos por una buena razón, ya que la presencia de núcleos de hidrógeno vecinos puede complicar el espectro como resultado de un fenómeno denominado acoplamiento spin-spin, que puede darnos información estructural adicional.

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25 Un núcleo de hídrógeno vecino, divide la señal de un núcleo en resonancia en un doblete. Se genera un doblete, porque el hidrógeno bajo observación tiene dos tipos (magneticamente diferentes) de vecinos. (A) Cuando el núcleo vecino H b está en su estado α, adiciona un campo local, h loca, a Ho lo que resulta en un desplazamiento a campo más bajo del pico de Ha. (B) cuando el núcleo vecino está en su estado β, su campo local se opone al campo externo, y el pico de Ha se desplaza a campo más alto. (C) El patrón del pico observado es un doblete centrado en la resonancia esperada para Ha sin Hb como vecino. El doblete integra para un protón.

26 Constantes de acoplamiento, J Siguiendo con el ejemplo del espectro de 1 H RMN del 1,1-dicloro-2,2-dietoxietano, la señal para Hbestásujeta a consideraciones similares. Este hidrógeno también tiene dos tipos de hidrógenos como vecinos: H a(α) y H a(β). En consecuencia, sus lineas de absorción aparecen también en forma de un doblete. Se dice, así que Hb está acoplado con Hb. La cantidad de este acoplamiento mutuo es igual; es decir, que la distancia (en hertz) entre los dos picos de cada doblete es idéntica. Esta distancia es a lo que se le denomina Constante de acoplamiento, J. En nuestro ejemplo, J ab =7 Hz. Puesto que la constante de acoplamiento está relacionada exclusivamente a las contribuciones al campo magnético por parte de los núcleos vecinos que se comunican a través de los enlaces intervinientes, es independiente de la fuerza del campo externo. Las constantes de acoplamiento, J, son, así, constantes e independiente di del instrumento t del espectrómetro tó t de RMN usado.

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28 En Muchos Casos el Acoplamiento spin-spin Viene Dado por la Regla N+1 Podemos sumarizar nuestro análisis hasta ahora, por un conjunto de reglas simples: 1. Núcleos equivalentes localizados ados adyacentes acentes a un hidrógeno vecino resuenan enan como un doblete. 2. Núcleos equivalentes localizados adyacentes a dos hidrógenos de un segundo conjunto de núcleos equivalentes resuenan como un triplete. 3. Núcleos equivalentes localizados adyacentes a tres hidrógenos de un segundo conjunto de núcleos equivalentes resuenan como un cuarteto.

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32 Algunas complicaciones 1. Las relaciones exactas de intensidad dictadas por el triángulo de Pascal y la regla N+1, se observan solamente cuando la diferencia entre los desplazamientos químicos de los protones acoplados es mucho mayor que su constante de aciplamiento: Δν J. Bajo esas circunstancias se dice que el espectro es de primer orden. Sin embargo, a medida que esas diferenciasi se hacen más pequeñas, el patrón esperado para los picos se vé sujeta a una distorción cada vez mayor..

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34 2. El acoplamiento a vecinos no equivalentes puede modificar la regla simple N+1

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36 3. Intercambio rápido de protón desacopla los hidrógenos del grupo alcohólico de los alcoholes

37 Resonancia Magnética Nuclear de Carbono-13 ( 13 C RMN)

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39 RMN bidimensional

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42 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003 The Nobel Assembly at Karolinska Institutet has awarded the Nobel Prize in Physiology or Medicine i jointly to Paul Lauterbur and Peter Mansfield for their discoveries concerning "magnetic resonance imaging". These discoveries made it possible to develop modern magnetic resonance imaging, MRI, which h represents a breakthrough h in medical diagnosticsand i d research. Worldwide, more than 60 million investigations with MRI are performed each year. Paul Lauterbur Peter Mansfield

43 DIFRACCION DE RAYOS X (Proyección ORTEPT)

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45 Identidad y estructura de una molécula

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